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Introduccin
La minimizacin de la carga de los equipos de refrigeracinen el futuro es un objetivo muy importante en el desarrollode la tecnologa de refrigeracin. Esta minimizacin de lacarga permite la reduccin de las emisiones directas de gasesrefrigerantes a lo largo de toda la vida de la unidad, as comola reduccin de las emisiones generadas a lo largo de toda lacadena de la produccin del refrigerante, transporte y servi-cio. Adems, la reduccin de la carga de refrigerante impli-ca una rebaja en el coste de la unidad, y menos riesgos aso-ciados en el caso de los refrigerantes con propiedades noci-vas, tales como la inflamabilidad o la toxicidad.
Sin embargo, la minimizacin de la carga no puede lograrsea expensas de la eficiencia de la unidad, porque esto impli-cara un mayor consumo de electricidad y, por lo tanto,mayores emisiones indirectas de CO2. Por consiguiente, esnecesaria una optimizacin global del diseo del equipo y dela carga con el fin de lograr un mnimo de CO2 equivalenteen el total de las emisiones.
Por otro lado, las regulaciones imponen valores mximos decarga en funcin del refrigerante y de la aplicacin. Lamayora de los refrigerantes HFC son considerados comogases de efecto invernadero debido a su alto valor del GWP,mientras que los refrigerantes naturales como los hidrocar-buros o el amonaco, deben satisfacer los mximos requisi-tos de carga-tolerancia y un diseo estricto. Por lo tanto, laminimizacin de la carga se convierte en uno de los requisi-tos ms importantes para el futuro de los equipos de refrige-racin.
La carga refrigerante y su distribucin
La carga mnima en un sistema de refrigeracin es la cargamnima requerida para un funcionamiento estable de la uni-dad sobre la gama completa de condiciones posibles de fun-
cionamiento. Esta carga mnima depende obviamente deldiseo de la unidad, pero tambin de las condiciones de fun-cionamiento. Por lo tanto, la carga mnima de refrigerantepara una unidad dada, es la que se requiere para un funcio-namiento estable en condiciones de funcionamiento querequieren una carga de refrigerante completa en todos suscomponentes. La carga mnima ser entonces definida comola operacin de suministro estable, en condiciones en las quela carga de refrigerante mnimo proporcionada a travs de lacorriente superior de la columna de lquido al dispositivo deexpansin, es suficiente para eliminar cualquier burbuja quepueda entrar en ella.
Un criterio slido para la comparacin de la carga es laCarga Especfica, es decir, la relacin entre la carga (nor-malmente expresada en g) y la capacidad de refrigeracin(normalmente expresada en kW). En Poggi et al. [1] sepuede encontrar una revisin de este parmetro para diferen-tes aplicaciones y refrigerantes. El valor de la carga espec-fica depende principalmente de la aplicacin, la cual impon-dr un determinado diseo del circuito de refrigerante y delos intercambiadores de calor, y que adems depende en granmedida del refrigerante empleado, ya que la densidad es unapropiedad intrnseca de la molcula. Los refrigerantes condensidades ms bajas, como los hidrocarburos, darn lugar acifras ms bajas. Los valores de las cargas especficas paralos sistemas de refrigeracin que utilizan HCFC y HFC estnentre 200 y 800 g/kW para los sistemas de refrigeracinpequeos, y alrededor de 2,000 g/kW para las instalacionesms grandes. De cualquier forma, la revisin muestra unadispersin de los valores muy alta, lo que prueba que las car-gas mnimas no fueron los criterios de diseo en los diseosdel pasado.
Hasta ahora, la investigacin destinada a desarrollar equiposde carga mnima se ha concentrado principalmente en losfluidos naturales, tratando de minimizar el riesgo intrnsecoasociado con un potencial de liberacin repentino de refrige-
REDUCCIN DE LA CARGA REFRIGERANTE ENLOS SISTEMAS DE REFRIGERACIN
25 Nota Informativa del Instituto Internacional del Frosobre Tecnologas de la Refrigeracin
Esta nota informativa fue realizada por Jos Corbern, Presidente del Grupo de Trabajo del IIR sobre la reduccin de la carga de refrigerante en los sistemas de refrigeracin
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rante (vase, por ejemplo Cavallini [2], Primal [3],Corbern [4] y Hrnjak [5]). Los valores mnimos alcanzadosson de alrededor de 30 g/kW para el propano, y 20 g/kWpara el amonaco, lo que demuestra que una reduccin sus-tancial de la carga de refrigerante es posible si la reduccinal mnimo de la carga de refrigerante es parte de los requisi-tos de diseo. Teniendo en cuenta que la densidad de HFC esde alrededor del doble de la de propano, esto significa quelos diseos con cargas especficas en torno a 60 g/kW sonfactibles para estos refrigerantes sintticos.
Durante el funcionamiento, la carga de refrigerante de la uni-dad se distribuye por todos los diferentes componentes, demodo que la distribucin depende de la densidad del refrige-rante en condiciones termodinmicas especficas del compo-nente y de su volumen interno. La densidad media del refri-gerante en un componente depende lgicamente del papeldel componente en el ciclo, y en las condiciones de funcio-namiento reales. Por lo tanto, la distribucin de la cargaentre los diferentes componentes vara en funcin de las con-diciones de funcionamiento. De todos modos, estos cambiosson moderados y en ltima instancia, la distribucin de lacarga depende principalmente del diseo de la unidad.Desde un componente a otro, se pueden observar las tenden-cias comunes.
Durante el funcionamiento normal de cualquier unidad derefrigeracin bsica, el refrigerante est en forma de vaporentre la salida del evaporador y la entrada del condensador.La carga de refrigerante contenida en estas partes es peque-a, con la excepcin del aceite lubricante en el crter delcompresor, que por lo general contiene una cantidad no des-preciable de refrigerante en forma disuelta. La cantidad derefrigerante disuelta en el crter de aceite es slo unapequea fraccin de la carga total (10-15%) en unidadesnormales, pero esta fraccin puede llegar a ser considerable(30-40%). en unidades con una carga mnima.
Los evaporadores que funcionan en el modo de expansinseca contienen una cantidad baja de refrigerante.Normalmente, la fraccin de la carga en el evaporador esta-ra en torno al 20%. Los evaporadores que funcionan en elmodo hmedo (evaporadores inundados) contienen unacarga mucho mayor.
El condensador contiene (excepto en la entrada, donde seproduce recalentamiento) una cantidad elevada de refrige-rante en las zonas de las dos fases y de sub-enfriamiento.Teniendo en cuenta que la mayora de la carga de refrige-rante est en la zona donde el refrigerante est en formalquida, la importancia de la carga en el condensador depen-de del sub-enfriamiento: cuanto mayor sea el sub-enfria-miento mayor ser la carga. Los valores-fraccin tpicos enel condensador podran estar alrededor de entre el 30 al 60%,dependiendo de los otros componentes de la unidad.
La carga en las lneas de refrigerante es prcticamente insig-nificante, con la posible excepcin de la lnea de lquido, queen los sistemas de refrigeracin o unidades de A/C del tiposplit puede ser muy grande y por lo tanto, podra contener,posiblemente, una proporcin alta de la carga total.
Adems de los componentes bsicos, una unidad de refrige-racin puede incluir otros componentes que tambin puedencontener una carga no despreciable de refrigerante.Especialmente, este es el caso de las unidades con un recibi-dor de lquido, por lo general empleado para compensargrandes variaciones de la carga de refrigerante requeridaentre los diferentes modos de funcionamiento o grandescambios en las condiciones de funcionamiento. El uso de unrecibidor de lquido siempre implica una carga de refrige-rante importante, ya que debe proporcionar al menos unnivel mnimo de lquido con el fin de garantizar el cierre y laentrada completa del lquido en la lnea de lquido, inclusoen condiciones mximas de funcionamiento del sistema. Enprincipio, cuanto menor es el dimetro (recibidor de lquidoms alto), menor es la carga adicional que se requiere.
La figura siguiente muestra la distribucin de la carga quepodra aplicarse a una pequea unidad A/C sellada de fbri-ca sin un recibidor de lquido, y con lneas cortas de refrige-rante:
Carga ptima
Qu sucede cuando un sistema est cargado con ms refri-gerante que el mnimo requerido? La respuesta es clara, lamasa de refrigerante buscar un lugar para depositarse, y seproducir una redistribucin del refrigerante en todos losdiferentes componentes del sistema. Obviamente, los com-ponentes con la capacidad ms alta de almacenar el refrige-rante son aquellos que contienen refrigerante lquido y tie-nen un gran volumen interno.
El primero en ofrecer esta caracterstica es el recibidor delquido, cuando existe uno en el circuito. Este componente escapaz de almacenar el refrigerante en forma lquida hastaque se llena. Por lo tanto, en las unidades con un recibidorde lquido, toda la carga extra se destina a este componentey esto evita que se produzca cualquier cambio significativodurante el funcionamiento de la unidad. El recibidor de
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lquido acta como un dispositivo de regulacin del ciclo derefrigeracin, alojando con comodidad toda la carga extra yregulando el sub-enfriamiento con un valor bajo (por logeneral alrededor de 1-2K); el concepto de carga ptimano es aplicable a estos sistemas.
Las unidades sin recibidor de lquido se comportan de mane-ra muy diferente cuando se aade una carga extra. En gene-ral, la mayor parte de esta carga adicional se deposita enforma lquida en el extremo del condensador. Esto
